Sustainable solutions for pulp mill sludge management

Abstract

The pulp and paper industry has a crucial role in the global market, impacting the economy, environment, and society. Chemical and mechanical processes are used for pulp production. The kraft method is the most common chemical process in the world. The mechanical process is commonly used to produce high-yield pulp. The high water consumption in pulp and paper mills results in a high generation of effluent. Due to the high organic and inorganic matter, the effluent is treated in the effluent treatment plant (ETP) before discharge in the river. During the effluent treatment, the sludge is generated. Usually, two types of sludge are generated in the pulp and paper mill: primary sludge (PS), which comes from primary effluent treatment, and secondary sludge (SS), generated during secondary or biological treatment. Because of its characteristics, secondary sludge is difficult to handle and is often mixed with primary sludge to make it easier to manage. The sludge generated in the pulp and paper industry accounts for the largest proportion of solid waste generated at the mill and its main destination is the industrial landfill. Due to major environmental, social, and economic problems, landfills have been restricted. The transition of the world market towards bioeconomy has required sustainable management of all co-products generated in the production chain. The sludge generated in the pulp mill is rich in lignocellulosic materials presenting the potential for energy generation. There is a growing demand for the reduction of fossil fuels and the implementation of new renewable fuel sources. Energy generation using sludge from the pulp industry has emerged as an alternative for managing this biomass, also providing support for the Sustainable Development Goals (SDGs). This study aims to assess the technical and environmental potential of generating energy from PS and SS generated in pulp mills. The work is divided into four chapters. Chapter 1 provides a comprehensive review of current practices for sludge disposal, along with the latest innovations in sludge management found in the literature. The growing restrictions on landfills underscore the urgent need to explore and implement more sustainable methods for sludge treatment. Chapter 2 presents the characterization of PS, SS, and the mixture of PS and SS (MS) generated in a thermo-mechanical pulp mill, assessing their energy potential and the possible effects of their combustion in the boiler. The high moisture content in the sludges created a negative energy balance, requiring a pre-drying step prior to combustion. Chapter 3 assessed the technical feasibility of producing pellets using PS and SS. The effect of moisture content and the blends of PS and SS on the final quality of the pellets was also determined. The pelletizing process standardized the dimensions of sludge, increasing the energy efficiency in the boiler and reducing costs in transportation and storage. Chapter 4 presents the environmental viability through life cycle assessment (LCA) of the energy generation of sludge pellets. This study highlights and compares the environmental effects of burning and producing pellets with sludge disposal in landfills. The results of this chapter showed that energy generation using pellets sludge had a better environmental performance than landfilling. Optimizing energy generation at the mill with a new renewable fuel source contributes to more sustainable production in the pulp and paper industry. Keywords: bioeconomy; pulp and paper industry; renewable fuel; sludge; waste management.A indústria da celulose tem um papel importante no mercado global, com impacto na economia, no ambiente e na sociedade. A polpa celulósica é obtida a partir de processos químicos ou mecânicos. O método kraft é o processo químico mais utilizado no mundo. O processo mecânico é normalmente empregado para produzir pasta de alto rendimento. O elevado consumo de água nas fábricas resultam na elevada produção de efluentes. Devido ao elevado teor de matéria orgânica e inorgânica, o efluente é tratado na estação de tratamento de efluentes (ETE) antes de ser descarregado no rio. Geralmente nas indústrias de celulose e papel são gerados dois tipos de lodos na ETE, o lodo primário (LP), oriundo do tratamento primário de efluente, e o lodo secundário (LS), gerado durante o tratamento secundário. O LP é rico em fibras enquanto o LS é rico em microrganismos, devido suas características, o lodo secundário possui difícil manuseio, sendo frequentemente misturado ao lodo primário para facilitar o seu gerenciamento. Os lodos gerados nas indústrias de celulose e papel corresponde a maior proporção de resíduos sólidos gerados na fábrica e tem como principal destino o aterro industrial. Devido aos grandes problemas ambientais, sociais e econômicos, o aterro tem sofrido cada mais restrições. A transição do mercado mundial em direção a bioeconomia urge a demanda de um gerenciamento sustentável de todos co- produtos gerados na cadeia produtiva. O lodo gerado nas indústrias de celulose e papel é rico em materiais lignocelulosicos apresentando potencial para geração de energia. Há uma crescente demanda na redução de combustíveis fosseis e a implementação de novas fontes de combustíveis renováveis. A geração de energia utilizando o lodo das indústrias de celulose surge como uma alternativa no gerenciamento dessa biomassa, proporcionado também suporte aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS). O presente trabalho teve como objetivo avaliar o potencial de geração de energia do LP e LS gerado nas indústrias de celulose. O trabalho foi divido em 4 capítulos. O Capítulo 1 oferece uma revisão abrangente das práticas atuais de descarte de lodo, juntamente com as últimas inovações na gestão de lodo encontradas na literatura. As crescentes restrições ao uso de aterros destacam a necessidade urgente de explorar e implementar métodos mais sustentáveis para o tratamento de lodos. O Capítulo 2 apresenta a caracterização do LP, LS e da mistura de LP e LS (MS) gerados em uma planta de polpa termo-mecânica, avaliando seu potencial energético e os possíveis efeitos de sua combustão na caldeira. O alto teor de umidade nos lodos criou um balanço energético negativo, exigindo uma etapa de pré-secagem antes da combustão. O Capítulo 3 avaliou a viabilidade técnica da produção de pellets utilizando LP e LS. Também foi determinado o efeito do teor de umidade e das misturas de LP e LS na qualidade final dos pellets. O processo de peletização padronizou as dimensões do lodo, aumentando a eficiência energética na caldeira e reduzindo os custos de transporte e armazenamento. O Capítulo 4 apresenta a viabilidade ambiental por meio da avaliação do ciclo de vida (ACV) da geração de energia a partir de pellets de lodo. Este estudo destaca e compara os efeitos ambientais da queima e produção de pellets com o descarte de lodo em aterros. Os resultados deste capítulo mostraram que a geração de energia usando pellets de lodo teve um desempenho ambiental melhor do que o aterramento. A otimização da geração de energia na fábrica com uma nova fonte de combustível renovável contribui para uma produção mais sustentável na indústria de celulose e papel. Palavras-chave: bioeconomia; indústria de celulose e papel; combustível renovável; lodo; gerenciamento de resíduos.